数字信号处理课程设计数字信号处理在双音多频拨号系统中的应用汇总

数字信号处理课程设计题目：数字信号处理在双音多频拨号系统中的应用学校：南昌航空大学科技学院专业：自动化班级:1182022学号：27姓名:吴哲祺2014年1月13日－2014年1月17日设计任务设计程序，读入8位电话号码，根据键入的8位电话号码产生时域离散双音多频（DTMF）信号，并连续发出8位号码对应的双音频声音。对时域离散DTMF信号进行频率检测，画出幅度谱。根据幅度谱的两个峰值，分别查找并确定输入8位电话号码，并将其输出。设计步骤：初步完成总体设计，搭好框架，确定人机对话的界面，确定输入输出函数的接口；编写主要程序，包括戈泽尔算法和N点DFT；编写实现输入输出功能的程序；编写波形输出程序；用matlab的相应函数进行检验。要求：用结构化设计方法。一个程序划分成若干模块，每一个模块的函数功能要划分好，总体设计应画出流程图；输入输出界面要友好；源程序书写要规范，加必要的注释；要提供通过Matlab函数进行检验的结果；程序一定要要能运行起来。原理双音多频（DualToneMultiFrequency,DTMF）信号是音频电话中的拨号信号，由美国AT&T贝尔公司实验室研制，并用于电话网络中。这种信号制式具有很高的拨号速度，且容易自动监测识别，很快就代替了原有的用脉冲计数方式的拨号制式。这种双音多频信号制式不仅用在电话网络中，还可以用于传输十进制数据的其它通信系统中，用于电子邮件和银行系统中。这些系统中用户可以用电话发送DTMF信号选择语音菜单进行操作。DTMF信号系统是一个典型的小型信号处理系统，它要用数字方法产生模拟信进行频谱分析的问题。根据第三章用DFT对模拟信号进行谱分析的理论，确定三个参数：（1）采样频率，（2）DFT的变换点数N，（3）需要对信号的观察时间的长度。这三个参数不能随意选取，要根据对信号频谱分析的要求进行确定。这里对信号频谱分析也有三个要求：（1）频率分辨率，（2）谱分析的频谱范围，（3）检测频率的准确性。频谱分析的分辨率观察要检测的8个频率，相邻间隔最小的是第一和第二个频率，间隔是73Hz，要求DFT最少能够分辨相隔73Hz的两个频率，即要求。DFT的分辨率和对信号的观察时间有关，。考虑到可靠性，留有富裕量，要求按键的时间大于40ms。频谱分析的频率范围要检测的信号频率范围是697～1633Hz，但考虑到存在语音干扰，除了检测这8个频率外，还要检测它们的二次倍频的幅度大小，波形正常且干扰小的正弦波的二次倍频是很小的，如果发现二次谐波很大，则不能确定这是DTMF信号。这样频谱分析的频率范围为697～3266Hz。按照采样定理，最高频率不能超过折叠频率，即，由此要求最小的采样频率应为7.24KHz。因为数字电话总系统已经规定＝8KHz，因此对频谱分析范围的要求是一定满足的。按照，＝8KHz，算出对信号最少的采样点数为。（3）检测频率的准确性这是一个用DFT检测正弦波频率是否准确的问题。序列的N点DFT是对序列频谱函数在0～区间的N点等间隔采样，如果是一个周期序列，截取周期序列的整数倍周期，进行DFT，其采样点刚好在周期信号的频率上，DFT的幅度最大处就是信号的准确频率。分析这些DTMF信号，不可能经过采样得到周期序列，因此存在检测频率的准确性问题。DFT的频率采样点频率为（k=0,1,2,---,N-1），相应的模拟域采样点频率为（k=0,1,2,---,N-1），希望选择一个合适的N，使用该公式算出的能接近要检测的频率，或者用8个频率中的任一个频率代入公式中时，得到的k值最接近整数值，这样虽然用幅度最大点检测的频率有误差，但可以准确判断所对应的DTMF频率，即可以准确判断所对应的数字或符号。经过分析研究认为N＝205是最好的。按照＝8KHz，N＝205，算出8个频率及其二次谐波对应k值，和k取整数时的频率误差见表2。表2频率误差8个基频/Hz最近的整数k值DFT的k值绝对误差二次谐波/Hz对应的k值最近的整数k值绝对误差69717.861180.319139435.024350.02477019.531200.269154038.692390.30885221.833220.167170442.813430.18794124.113240.113188247.285470.285120930.981310.019241860.752610.248133634.235340.235267267.134670.134147737.848380.152295474.219740.219163341.846420.154326682.058820.058通过以上分析，确定＝8KHz，N＝205。4.DTMF信号的产生与识别仿真实验下面先介绍MATLAB工具箱函数goertzel，然后介绍DTMF信号的产生与识别仿真实验程序。Goerztel函数的调用格式为：Xgk=goertzel(xn,K)xn是被变换的时域序列，用于DTMF信号检测时，xn就是DTMF信号的205个采样值。K是要求计算的DFT[xn]的频点序号向量，用N表示xn的长度，则要求1≤K≤N。由表2可知，如果只计算DTMF信号8个基频时，K=[18，20，22，24，31，34，38，42]，如果同时计算8个基频及其二次谐波时，K=[18，20，22，24，31，34，35，38，39，42，43，47，61，67，74，82]。Xgk是变换结果向量，其中存放的是由K指定的频率点的DFT[x(n)]的值。设X(k)=DFT[x(n)]，则。DTMF信号的产生与识别仿真实验在MATLAB环境下进行，编写仿真程序，运行程序，送入8位电话号码，程序自动产生每一位号码数字相应的DTMF信号，并送出双频声音，再用DFT进行谱分析，显示每一位号码数字的DTMF信号的DFT幅度谱，安照幅度谱的最大值确定对应的频率，再安照频率确定每一位对应的号码数字，最后输出8位电话号码。设计过程设置参数，并读入8位电话号码。设置每位电话号码所对应的高频分量和低频分量。根据键入的8位电话号码产生相应的时域离散DTMF信号，添加程序，连续发出8位电话号码对应的双频声音。对时域离散DTMF信号进行频率检测，画出幅度谱。根据幅度谱的两个峰值，分别查找并确定输入8位电话号码。将8位电话号码表示成一个8位数并输出。开始开始输入8位电话号码输入8位电话号码检测与m位号码相符的低频带检测与m位号码相符的低频带检测与m位号码相符的高频带检测与m位号码相符的高频带构成双音频信号构成双音频信号用Goertzel算法计算八点DFT样本用Goertzel算法计算八点DFT样本画出8点DFT样本幅度画出8点DFT样本幅度检测8点DFT模值检测8点DFT模值查找8点样本所对应的低频带与高频带查找8点样本所对应的低频带与高频带输出检测出的8位电话号码输出检测出的8位电话号码结束结束结果与验证（1）运行结果键入8位电话号码:12345678接收端接检测的号码为：12345678对时域离散DTMF信号进行频率检测，幅度谱图如下：六位的幅度谱图如下：（与八位对比）（2）由DTMF信号在8个近似基频点的DFT幅度图可知，第一幅图低频K1=8，K2=31，由表2可知f1=697Hz,f2=1209Hz,由表1可知对应的号码为1；第二幅图低频K1=18，K2=34，由表2可知f1=697Hz,f2=1336Hz,由表1可知对应的号码为2； 第三幅图低频K1=18，K2=38，由表2可知f1=697Hz,f2=1477Hz,由表1可知对应的号码为3；第四幅图低频K1=20，K2=31，由表2可知f1=770Hz,f2=1209Hz,由表1可知对应的号码为4；第五幅图低频K1=20，K2=34，由表2可知f1=770Hz,f2=1336Hz,由表1可知对应的号码为5；第六幅图低频K1=20，K2=38，由表2可知f1=770Hz,f2=1477Hz,由表1可知对应的号码为6；第六幅图低频K1=22，K2=31，由表2可知f1=852Hz,f2=1209Hz,由表1可知对应的号码为7；第八幅图低频K1=22，K2=34，由表2可知f1=852Hz,f2=1336Hz,由表1可知对应的号码为8；即最终输出号码为12345678，与程序运行结果相同。界面设计实现更加友好的人机对话的界面，加入了界面窗口，各种数据可以从窗口直接输入，并且设置开始按钮和清除按钮，可以从窗口选择六位或者八位电话号码的输入，在窗口中可以直接显示出电话号码DFT的幅值，简洁、方便。下图为具体的界面窗口，输入为八位电话号码：12345678，接收到电话号码：12345678。下图为对应各位电话号码的DFT幅值。五、分析和总结通过本次课程设计，首先使我对于双音多频拨号系统有了更全面的认识和理解，双音多频拨号系统是现在最常用的拨号系统，数字0-9的中每一个都用两个不同的单音频传输，所用的8个频率分成高频带和低频带两组，低频带有四个频率：679Hz,770Hz,852Hz和941Hz；高频带也有四个频率：1209Hz,1336Hz,1477Hz和1633Hz.。每一个数字均由高、低频带中各一个频率构成。其次，对于数字信号处理中很多理解不清晰的问题也加深了理解，对也DFT有了更深一层的理解，并且学习到计算DFT的新算法:Goerztel函数，更加方便了DFT的计算。再次，对于MATLAB的设计也更加清晰明了，matlab用起来挺顺手的，比C语言简单。但是用到细节处的时候却困难重重，因为很多知识都没有学习，就算知道函数名，也不知道如何调用。通过自己查询相关资料，客服了相关的问题，使自己对MATLAB的认识及应用也进入了一个新的层次。总而言之，通过本次试验，加深了对于Matlab的了解，同时复习了数字信号方面的相关知识，对于还不太清楚的相关知识，通过进一步的查找得到了很好的解决。了解了双音多频信号的产生、检测、包括对双音多频信号进行DFT时的参数选择等的相关知识。附录：主要程序%DTMF双频拨号信号的生成和检测程序八位数字程序：clearall;clc;tm=[1,2,3,65;4,5,6,66;7,8,9,67;42,0,35,68];

%DTMF信号代表的16个数N=205;K=[18,20,22,24,31,34,38,42];%8个基频分量对应的8个k值f1=[697,770,852,941];

%行频率向量f2=[1209,1336,1477,1633];

%列频率向量TN=input('键入8位电话号码=');

%输入8位数字TNr=0;

%接收端电话号码初值为零form=1:8;%分别对每位号码数字处理：产生信号，发声，检测

d=fix(TN/10^(8-m));%计算出与第l位号码数字

TN=TN-d*10^(8-m);

forp=1:4;

forq=1:4;

iftm(p,q)==abs(d);break,end

end%检测与m位号码相符的列号q

iftm(p,q)==abs(d);break,end

end%检测与m位号码相符的行号p

n=0:1023;

%为了发声，加长序列

x=sin(2*pi*n*f1(p)/8000)+sin(2*pi*n*f2(q)/8000);%构成双频信号

sound(x,8000);

%发出声音pause(0.1)%相邻号码响声之间加0.1秒停顿%接收检测端的程序

X=goertzel(x(1:205),K+1);%用Goertzel算法计算八点DFT样本

Val=abs(X);

%列出八点DFT向量

subplot(4,2,m);

stem(K,Val,'.');grid;xlabel('k');ylabel('|X(k)|')%画出DFT(k)幅度

axis([10500120])

limit=80;

%基频检测门限为80

fors=5:8;

ifVal(s)>limit,break,end

%查找列号

end

forr=1:4;

ifVal(r)>limit,break,end

%查找行号

end

TNr=TNr+tm(r,s-4)*10^(8-m);enddisp('接收端检测到的号码为：')

%显示接收到的字符disp(TNr)六位号码程序：clearall;clc;tm=[1,2,3,65;4,5,6,66;7,8,9,67;42,0,35,68];

%DTMF信号代表的16个数N=205;K=[18,20,22,24,31,34,38,42];%8个基频分量对应的8个k值f1=[697,770,852,941];

%行频率向量f2=[1209,1336,1477,1633];

%列频率向量TN=input('键入6位电话号码=');

%输入8位数字TNr=0;

%接收端电话号码初值为零form=1:6;%分别对每位号码数字处理：产生信号，发声，检测

d=fix(TN/10^(6-m));%计算出与第l位号码数字

TN=TN-d*10^(6-m);

forp=1:4;

forq=1:4;

iftm(p,q)==abs(d);break,end

end%检测与m位号码相符的列号q

iftm(p,q)==abs(d);break,end

end%检测与m位号码相符的行号